JP2009007561A - 廃プラスチック粉砕物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融後に、水冷により冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕する際に、固化体の水分含有率を低くすることのできる廃プラスチック粉砕物の製造方法を提供すること。
【解決手段】廃プラスチックを押し出し機３により加熱溶融して脱塩素処理を行なった後に、冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕する際に、押し出し機から押し出された直後の廃プラスチック温度を２９０℃以下に制御し、直ちに水冷して固化体とすることを特徴とする廃プラスチック粉砕物の製造方法を用いる。押し出し機３内で３００℃以上に加熱することで脱塩素処理を行うことが好ましい。また、廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融して脱塩素処理を行ない、押し出し機から押し出された直後の廃プラスチック温度を２９０℃以下に制御し、直ちに水冷することを特徴とする廃プラスチック粉砕物製造用のペレットの製造方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般廃棄物や産業廃棄物としてのプラスチック系廃棄物である廃プラスチックを高炉やスクラップ溶解炉等の竪型炉やセメントキルン炉等への吹き込み原料等に用いるための、廃プラスチック粉砕物の製造方法に関する。

コークスや微粉炭の代替原料として利用するために、廃プラスチックを高炉等の竪型炉に羽口から吹き込む技術が知られている。使用済みプラスチックの粒状物を空気輸送して羽口から吹込むことで、使用済みプラスチックをコークス代替品として有効にリサイクル利用することが可能である（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１によれば、炉のレースウエイ内における燃焼率を向上させるために、炉に吹き込むプラスチック粒状物の強度や粒径の制御が重要であり、粒径数ｍｍ程度の廃プラスチック粒状物が製造され、炉への吹き込みが行なわれている。

一方で、廃プラスチックの燃焼率をより一層向上させるために、廃プラスチックを微粉化する方法がある。廃プラスチックを微粉化することで、炉への吹込みが容易となり、廃プラスチックのリサイクル量を増やすことが可能となる。廃プラスチックを微粉化する技術として、廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融後に冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕することを特徴とする廃プラスチックの処理方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００１−２２０５８９号公報 特開２００６−２４１４４２号公報

特許文献２に記載の方法によれば、押し出し機を用いた廃プラスチックの溶融時に、廃プラスチックの脱塩素処理を行なうことが可能であり、粉砕物の製造を連続的に熱効率良く行ない、大量の廃プラスチックを処理して微粉化することができる。押し出し機からダイス等を用いて押出されたプラスチックは、直接水冷等あるいはスチールベルトクーラーのような間接冷却等の公知の方法を用いて冷却して固化させ、所定の長さに切断してペレット化し、製造したペレットを粗粉砕、微粉砕して粉砕物とすることで、炉吹込み原料が得られるとされている。

しかし、上記において、押出されたプラスチックを水冷により冷却して固化させる方法を用いて廃プラスチックの微粉化処理を行なう場合、製造した固化体であるペレットの水分含有量が多くなる場合があることが分かった。水冷の際に表面に付着した水分であれば、振動篩い等を用いて水冷後のペレットの水切りを行なうことで対処できると考えられるが、ペレットの水切りを行なっても、ペレットの水分含有率が１０〜２０ｍａｓｓ％の場合がある。このように水分含有量の高いペレットを用いて粉砕処理を行なうと、ホッパー等に投入された粉砕物は、水分により付着してホッパーの閉塞等が発生し、その後の処理が困難となる。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融後に、水冷により冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕する際に、固化体の水分含有率を低くすることのできる廃プラスチック粉砕物の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、廃プラスチックを加熱溶融する際の押し出し機の出口温度が水冷後の固化体の水分含有率に多大な影響を及ぼすことを見出し、本発明を完成した。本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融して脱塩素処理を行なった後に、冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕する際に、前記押し出し機から押し出された直後の廃プラスチック温度を２９０℃以下に制御し、直ちに水冷して固化体とすることを特徴とする廃プラスチック粉砕物の製造方法。
（２）押し出し機内で３００℃以上に加熱することで脱塩素処理を行うことを特徴とする（１）に記載の廃プラスチック粉砕物の製造方法。
（３）廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融して脱塩素処理を行ない、前記押し出し機から押し出された直後の廃プラスチック温度を２９０℃以下に制御し、直ちに水冷することを特徴とする廃プラスチック粉砕物製造用のペレットの製造方法。

本発明によれば、水分含有率が５ｍａｓｓ％以下の、水分含有率の低いプラスチック固化体が得られる。このため、その後の固化体の粉砕処理をスムーズに行なうことができ、廃プラスチック粉砕物の生産性が向上し、廃プラスチックのリサイクル利用を促進することができる。

本発明では、廃プラスチックを押し出し機を用いて加熱溶融後に冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕してプラスチック粉砕物を製造する。加熱溶融することで、廃プラスチックの脱塩素処理を行なうことができる。廃プラスチックとは、使用済みプラスチックであり、通常複数種類のプラスチックの混合状態からなるものである。また押し出し機とは、シリンダー内に押し出しスクリューを有し、プラスチックを加熱しながらシリンダー内移送することで溶融混練する装置である。押し出し機のスクリューは任意の数のものを用いることができるが、処理効率の点からは２本以上のスクリューを有する押し出し機を用いることが望ましい。加熱溶融されたプラスチックは水冷により冷却固化する。冷却固化された固化体を、粉砕機を用いて粉砕し、廃プラスチックの粉砕物を得る。図１を用いて、このような廃プラスチックの粉砕処理システムの一実施形態を説明する。

図１において、廃プラスチック１は、予め磁選、風選等を用いた異物除去と水による洗浄等を行ない、プラスチック以外の異物を可能な限り除去した後に、第一の押し出し機２に投入する。廃プラスチック１は、予め所定の形状に破砕処理することが望ましく、後述するダイス６の異物によるつまりを防止するため、ダイス径以下に破砕することが望ましい。第一の押し出し機２により廃プラスチック１を２００℃程度で加熱し、脱水しながら溶融混練する。水分は第一の押し出し機２のシリンダーに適宜排気口を設けて除去すればよい。第一の押し出し機２から押出された溶融廃プラスチックは、引き続いて第二の押し出し機３で３００℃以上、好ましくは３５０℃程度で加熱され、脱塩素処理を行いながら溶融混練される。第二の押し出し機３内での加熱により発生する塩化水素ガス等の発生ガスは、ベント部４を通じてガス処理系５に送られて、処理される。ガス処理系５においては、燃焼処理や、塩酸、タール回収等の処理を行うことができる。第二の押し出し機３からダイス６を用いて押出されたプラスチックは所定の長さに切断して水槽７により水中で冷却して固化させ、ペレット化する。製造したペレットを振動篩い８を用いて水切り後、第一の粉砕機９で粗粉砕して、粉砕物をホッパー１０に装入し、さらに第二の粉砕機１１で微粉砕する。このようにして得られた粉砕物を、既設の微粉炭吹込み装置等を用いて高炉１２に吹込み、炉吹込み原料とする。

図１のシステムを用いて廃プラスチックの処理を行なう際に、ペレットの水分含有量が多いと、振動篩い８で水切り処理を行なっても、ペレットを第一の粉砕機９で粗粉砕した粗粉砕物をホッパーに装入すると、その水分により粗粉砕物がホッパーに付着、あるいは粗粉砕物同士が付着して、ホッパーが閉塞してしまう。

本発明者らは、ペレットの水分含有量を減らすために、このような水分含有量の高いペレットが製造されるメカニズムについて検討した。水冷後のペレットを調べたところ、内部に孔の形成が認められ、孔の中には水が浸入していた。この孔は、溶融プラスチックの固化収縮時に形成される真空ボイドが成長したものとも思われるが、プラスチックの成形収縮率が高々数体積％であり、含水率が１０〜２０ｍａｓｓ％の高さであることから考えると、含水の原因は真空ボイドに由来するだけであると考えるのは現実的ではない。また、異なる押し出し機を用いて製造を行なうと、上記のような含水ペレットは製造されない場合があり、理屈に合わない。そこで、ペレット内部の孔は、押し出し機内で発生したガスが抜けきれずに形成される気泡による孔であると推定した。押し出し機内の冷却過程で発生したガスが抜けきれずに気泡が形成されると、水冷のために水中に滞留した際、わずかな亀裂を通じて負圧の空隙部分に水が吸い込まれ、これによりペレット内に水が浸入すると考えられる。

そこで、押し出し機内での温度設定を変更して、気泡の発生を制御する方法を検討した。第二の押し出し機３の中央部分は、廃プラスチックの脱塩素を行なうために、３００℃以上とする必要があるが、この部分で発生したガスはベント部４を通じて排気されて排出される。溶融プラスチックがベント部を通過後にガスが発生すると、ベント部に逆流しきれないガスは排出されずに、残留して気泡を形成する可能性がある。したがって、第二の押し出し機３の出口付近の温度を下げ、プラスチックの熱分解反応を抑制することで、ガスの発生を抑えられると考え、以下の実験を行なった。

第一の押し出し機２の加熱温度を１８０℃、第二の押し出し機３の脱塩素温度を３３５℃、第二の押し出し機３の出口付近の、ベント部４の無い部分（冷却部）の設定温度を１６０〜２４０℃で変化させた。尚、押し出し機のシリンダー内の溶融プラスチックの温度はシリンダーの外壁付近と中心部とで異なっており、また直接測定することが困難であるため、変化させた冷却部の温度はシリンダー外壁部分の設定温度である。

ダイス６から押出された溶融プラスチックは、直ちにカッターで所定の長さに切断し、水中冷却（１０℃）、湯中冷却（７０℃）の２種類の冷却速度で水冷を行ないペレット化して、含水ペレットの割合を測定した。含水ペレットの割合は、製造されたペレットから任意に１０個程度を選択して切断し、水分の流出が認められたものを含水ペレットと判定することで求めた。また、ダイスから押し出された直後の溶融プラスチック中央部に直接温度計を差し込み、温度（押し出しプラスチック温度）を測定した。結果を図２、図３に示す。

図２は、冷却部設定温度と含水ペレットの割合の関係を示しており、図中の実線は実操業上重要な、バラツキの上限を表わしている。図２によれば、冷却部設定温度が２２０℃を超えると含水ペレットの割合が増え始め、冷却部設定温度が２４０℃（押し出しプラスチック温度２９０℃）で含水ペレットの割合が増加し、冷却部設定温度が２６０℃（押し出しプラスチック温度２９５℃）で含水ペレットの割合が急激に増加することが分かる。また、湯中冷却よりも水中冷却の方が含水ペレットの割合が少なく、急速に冷却して熱分解反応を早く終了させることが好ましいと考えられる。

図４に、冷却部設定温度１６０℃（水中冷却）で製造したペレットの断面写真を、図５に冷却部設定温度２４０℃（水中冷却）で製造したペレットの断面写真を示す。図４のペレットは中心部に小さな孔が見られるものの、それ以外の部分は緻密で断面が滑らかであり、孔の中に水は含まれていなかった。一方図５のペレットは中心部に大きな孔が見られ、断面も粗く、孔の中に水を多量に含むものであった。

以上のことから、押し出された溶融プラスチックの温度、または第二の押し出し機の冷却部温度がペレットの含水率に大きく影響することが分かる。すなわち、押し出し機内での脱塩素処理後は、押し出し可能な程度にできるだけ溶融プラスチック温度を低下させ、プラスチックの熱分解によるガスの発生を抑えて、速やかに冷却することが好ましい。押し出されたプラスチックの温度は１２０℃程度まで低下させることができるが、この温度では押し出し機のスクリューモーター負荷が大きくなるため、通常は２５０℃以上の押し出しプラスチック温度で押し出しを行なうことが好ましい。

図３に示すように、冷却部設定温度と押し出された直後の押し出しプラスチック温度とは正の相関があるので、どちらかの温度を用いて熱分解によるガスの発生を抑えればよい。本発明では、押し出された直後の押し出しプラスチック温度を２９０℃以下として押し出し機から押し出すことが必要なので、冷却部設定温度によって制御する場合は、図３のような関係を予め測定して求めておく。なお、押し出された直後の押し出しプラスチック温度を２８０℃以下とすることが好ましい。

図１と同様の設備を用いて、廃プラスチックの粉砕処理を行なった。脱塩素処理を行なう第二の押し出し機３のシリンダー部においては、図６に示すように、Ｃ１〜Ｃ５に５分割して温度制御を行ない、それぞれ昇温部（Ｃ１）、フルベント部（Ｃ２〜Ｃ４）、冷却部（Ｃ５）とした。

使用した廃プラスチックは一般家庭からの廃棄物であり、複数種類のプラスチックと異物とが混合された状態で、ポリエチレン３２ｍａｓｓ％、ポリプロピレン３１ｍａｓｓ％、ポリスチレン２２ｍａｓｓ％、その他（紙など）１５ｍａｓｓ％であった。異物を除去して洗浄し、フィルム状のものを選別して粒径約２０ｍｍに破砕して処理に用いた。塩素含有量は異物除去後で２．４ｍａｓｓ％であった。

これを用いて、第一の押出し機２での加熱温度を１８０℃、第二の押出し機での加熱温度を、Ｃ１で３１０℃、Ｃ２〜Ｃ４で３４５℃、Ｃ５で１８０℃として脱塩素処理を行ない、溶融混練した廃プラスチックをダイスから押し出した後ホットカッターで切断して水中に落下させ、直径約２０ｍｍ、長さ約２０ｍｍの円筒形のペレットを製造した。廃プラスチックの処理量は、６００ｋｇ／時間とした。

押し出し機３出口におけるプラスチックの温度は２６８〜２７０℃であった。製造されたペレットを２０個切断して目視にて内部観察を行なったが、含水ペレットは発生しなかった。眼開き１２ｍｍのスクリーン付ハンマーミル（粗粉砕機）で粗粉砕した後の水分の含有量を測定したところ、０．５〜１．５ｍａｓｓ％であり、その後微粉砕処理を行なった際に、ホッパーや配管に詰まりは全く発生せず、順調に微粉砕プラスチックを製造することができた。

次に、比較例として、上記と同様にして、第二の押出し機のＣ５の加熱温度（設定温度）を２２０℃にしてペレットを製造した。

押し出し機３出口におけるプラスチックの温度は２９０℃であった。製造されたペレットを切断して内部を調べたところ、２０個の内１０個は水分を含有しており、粗破砕後の水分は８〜１８ｍａｓｓ％であった。その後微粉砕処理を行なったが、ホッパーや配管が詰まり、処理の継続が困難であった。

廃プラスチックの粉砕処理システムの一実施形態の概略図。 含水ペレットの割合と冷却部設定温度の関係を示すグラフ。 押し出しプラスチック温度と冷却部設定温度の関係を示すグラフ。 冷却部設定温度１６０℃で製造したペレットの断面写真。 冷却部設定温度２４０℃で製造したペレットの断面写真。 第二の押し出し機のシリンダー部の概略図。

符号の説明

１ 廃プラスチック
２ 第一の押し出し機
３ 第二の押し出し機
４ ベント部
５ ガス処理系
６ ダイス
７ 水槽
８ 振動篩い
９ 第一の粉砕機
１０ ホッパー
１１ 第二の粉砕機
１２ 高炉

Claims (3)

1. 廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融して脱塩素処理を行なった後に、冷却固化して固化体とし、該固化体を粉砕する際に、前記押し出し機から押し出された直後の廃プラスチック温度を２９０℃以下に制御し、直ちに水冷して固化体とすることを特徴とする廃プラスチック粉砕物の製造方法。
2. 押し出し機内で３００℃以上に加熱することで脱塩素処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチック粉砕物の製造方法。
3. 廃プラスチックを押し出し機により加熱溶融して脱塩素処理を行ない、前記押し出し機から押し出された直後の廃プラスチック温度を２９０℃以下に制御し、直ちに水冷することを特徴とする廃プラスチック粉砕物製造用のペレットの製造方法。